物理学前沿课程报告

物理学前沿课程报告

——关于高功率激光薄膜元件的研究

陆梦蕾 1334132

本学期物理学前沿这门课共讲过光子人工微结构材料对电磁波的调控，X 射线光学进展，特异材料与宏观量子效应，光伏能源材料与器件研究进展，理论物理发展前沿，X射线显微技术及其新进展，微磁学及其新发展，高损伤阈值薄膜元件研究，能源存储和转化的相关研究，听觉主观反应及声品质研究进展，海洋中声学环境对声传播的影响及声参数测量这几个主题，相比较而言，我对于高损伤阈值薄膜元件研究这一主题比较感兴趣，这一主题也与我的研究方向密切相关，以下就以这一主题为主发表一些自己的看法。

光学薄膜是高功率激光系统中的重要元件，也是所有元件中最薄弱的环节，它的多种功能促进了激光技术的发展，它的性能优劣很大程度上决定了激光输出的性能，而其损伤阈值更是限制了激光输出的强弱并危及激光系统的安全运行。因此，不断改进薄膜性能，提高薄膜的抗激光强度，发展新的薄膜技术，一直是国际薄膜界和激光界共同关心的问题。高功率激光所需的主要薄膜包括不同角度的高反射膜，增透膜，不同尺寸的偏振膜，不同光强比和偏振比的分光膜，不同谐波，不同要求的倍频膜以及各种各样的波长分离膜等，随着激光技术的发展，众多的新型薄膜元件，不断提出，例如，超短脉冲激光所需要的啁啾薄膜，脉冲压缩用的光栅薄膜，空间分布调整用的高斯反射膜，全固化技术用的多波长薄膜等等。对高功率激光来说，不论哪种薄膜都有共同的要求，理想的光学性能，极低的激光损耗和很高的破坏阈值。激光薄膜的研究，除了根据性能的需求进行的针对性的薄膜设计，制备和测试研究外，大多数研究工作都是围绕着这几个方面问题进行的。

近四十年来，光学薄膜的许多进展，都是与激光技术密切相关的，激光技术的不断发展和不断提高，给光学薄膜提出了更高更新的要求，正事这些持续增长的需求，给了光学薄膜持续发展的动力。四十多年前，高品质的激光腔，提出了超低损耗高反射膜的需求。由此，把光学薄膜的研究推向一个新阶段，不断提高的激光强度，使得薄膜和材料的激光损伤的研究一直延续到今天，而且还将继续下去。

激光既是信息载体又是能量载体，从信息角度，激光对薄膜提出了千变万化的光学要求，从能量角度出发，更多的是强调薄膜的抗激光强度。研究薄膜的激光破坏机理，在确保薄膜具有一定性能的基础上，不断提高薄膜的破坏阈值，一直是高功率激光薄膜的中心工作。在激光问世的初期，激光破坏的研究工作主要是针对光学材料和表面的，光学薄膜的激光损伤研究只有一些零星的工作。1965年前后，美国的Turner教授针对红宝石激光对光学薄膜的破坏问题进行了专门的研究，首次提出了光学薄膜激光破坏的驻波场效应。在这以后，包括上海光机所在内的若干实验室都针对具体的需要，开展了实验研究工

作，并在七十年代前后，形成一个小高潮。主要工作有，前苏联的Kuzniezof 研究了ZnS薄膜的结构对激光破坏的影响，美国的Brombergen分析了薄膜内不同类型的缺陷对薄膜破坏阈值的影响，上海光机所针对铷玻璃大能量激光对光学薄膜的破坏问题，研究了薄膜制备工艺，薄膜结构，薄膜应力对激光破坏的影响，实时研究了薄膜破坏的发展过程，计算分析了激光在薄膜中的驻波场分布，提出了激光保护膜的概念，采用保护膜技术使薄膜的破坏阈值得到明显提高。在此前后，美国的Apfel也就光学薄膜的驻波场结构和表面保护膜提出了自己的分析和设计。由于驻波场结构对薄膜的损耗和破坏有严重影响，在此以后，驻波场设计已发展为激光薄膜的重要设计方法。随着高功率激光的发展，光学材料，光学元件和光学薄膜的破坏问题，日益成为限制发展的瓶颈，为此，由A.J.Glass,A.H.Guenther等人发起，美国国家标准局主办，从1969年开始在美国的波尔得举行激光对光学材料破坏的国际讨论会，分材料，表面，镜，薄膜，测量，基本机理等几个方面进行讨论。截至2003年，已经进行了35届。受激光核聚变研究的推动，从八十年代开始，光学薄膜的激光破坏逐渐成为研究的重点。在此期间，有几个方面的进展，对高功率激光薄膜乃至光学薄膜都是很重要的。

在薄膜制备技术方面，磁控溅射技术，离子束溅射技术，离子镀技术，化学气象沉积技术以及溶胶-凝胶技术等，在光学薄膜中的广泛应用，特别是离子束溅射和溶胶-凝胶技术，它们不仅分别在超高性能激光反射膜，超窄带干涉滤光片和高功率激光减反射膜的制备中发挥了重要作用，而且将在其他高功率薄膜技术中发挥更大作用。在测试技术方面，各种表面测试技术，用于激光薄膜的组分，价态和杂质分析，Nomarski显微镜用来进行薄膜破坏表面的实时监测，原子力显微镜用于薄膜表面和损伤形貌的三维分析。特别是光热测量技术的应用，对高功率激光薄膜的性能的改进，起到重要的作用，它不仅可以监测到0.1ppm量级的微弱吸收，而且可以用其空间分辨特性对薄膜的热缺陷或损伤点成像，还可以对薄膜破坏的过程进行实时研究。为了规范薄膜破坏阈值的测量，1983年，由美国劳伦兹-利弗莫尔实验室发起联合国际上八个单位分别用格子不同的方法，对巴尔蔡斯公司制备的光学薄膜的破坏阈值进行测量，通过分析，明确了数值离散的原因。到了九十年代，国际ISO质量标准论证体系出现。通过响应的ISO标准文件对1-on-1,S-on-1,N-on-1,R-on-1等几种破坏检测方式的测量设备，测量方法，测量过程，破坏标准以及阈值确定等都惊醒了规范，从而使不同单位给出的破坏阈值具有较好的可靠性和可比性。

几十年来，高功率激光薄膜的研究取得了很大进展，但是，这方面的研究工作还远远没有终结。随着激光技术的不断发展，随着全固化激光，超强，超快激光，各种类型的紫外，深紫外乃至X射线激光，以及应用于能源，加工，信息等各个领域的新型激光系统，激光技术的不断被提出，激光对光学薄膜的破坏，特别是紫外，深紫外激光薄膜，高平均功率，高峰值功率激光薄膜以及多功能复合，集成薄膜的破坏问题还将是激光薄膜研究的重点，未来的激光薄膜不但要不断适应激光技术的需求，而且要能动的推动激光技术的发展。

以上只是我对于高功率激光薄膜研究与发展概况的一些了解，希望能在以后的学习研究中对于这一方面有更深入的了解。